[论文解读] SIDIS transverse spin azimuthal asymmetries at COMPASS: Multidimensional analysis

B. Parsamyan|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用 3

一句话总结

本论文首次基于CERN COMPASS实验的数据，对半包容深度非弹性散射（SIDIS）中的横向自旋方位角不对称性进行了多维分析，提取了Sivers、Collins及其他横向自旋分布的x-、z-、Q²-和pT-依赖性不对称性。关键结果是首次直接提供了测试横动量依赖（TMD）部分子分布函数（PDF）Q²演化行为的前所未有的输入，首次观察到Sivers效应可能存在Q²依赖性，且A_UT^{sin(ϕ_S)}和A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}具有非零信号，而其他不对称性则与零一致。

ABSTRACT

Exploration of transverse spin structure of the nucleon via study of the spin (in)dependent azimuthal asymmetries in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan (DY) reactions is one of the main aspects of the broad physics program of the COMPASS experiment (CERN, Switzerland). In past decade COMPASS has collected a considerable amount of polarized deuteron and proton SIDIS data, while recent 2014 and 2015 runs were dedicated to the Drell-Yan measurements. Results on SIDIS azimuthal effects provided so far by COMPASS play an important role in general understanding of the three-dimensional nature of the nucleon. Giving access to the entire "twist-2" set of transverse momentum dependent (TMD) parton distribution functions (PDFs) and fragmentation functions (FFs) COMPASS data are being widely used in phenomenological analyses and experimental data fits. Recent unique and first ever x-$Q^{2}$-z-pT multidimensional results for transverse spin asymmetries obtained by COMPASS serve as a direct and unprecedented input for one of the hottest topics in the field of spin-physics: the TMD $Q^{2}$-evolution related studies. In addition, extraction of the Sivers and all other azimuthal effects from first ever polarized Drell-Yan data collected recently by COMPASS will reveal another side of the spin-puzzle clarifying the link between SIDIS and Drell-Yan branches. This will be a unique possibility to test predicted universality and key-features of TMD PDFs using essentially the same experimental setup and exploring the same kinematical domain. In this review main focus will be given to the very recent results from COMPASS multi-dimensional analysis of transverse spin asymmetries and to the physics aspects of COMPASS polarized Drell-Yan program.

研究动机与目标

• 利用高精度COMPASS实验数据，对SIDIS中的横向自旋不对称性进行全面的多维分析。
• 首次在单一实验中提取Sivers、Collins及其他横向自旋效应在x-、z-、Q²-和pT-依赖下的分布。
• 为测试横动量依赖（TMD）部分子分布函数（PDF）的Q²演化提供直接输入。
• 通过相同实验装置，实现SIDIS与Drell-Yan过程的直接比较，以检验TMD PDF的普遍性。
• 通过首次分析极化Drell-Yan数据，探测Sivers函数的符号变化，并验证TMD演化中的关键特征。

提出的方法

• 采用多维去卷积技术，在四维相空间（x、z、Q²、pT）中提取不对称性。
• 分析使用了COMPASS在极化运行期间收集的全部质子和氘核SIDIS数据，靶的横向极化在实验室参考系中测量。
• 理论截面表达式用于建模方位角分布，包含所有至扭曲-2的自旋依赖项，包括Sivers、Collins及TMD分裂效应。
• 在三维和四维网格中提取不对称性，特别关注Sivers和Collins效应的Q²依赖性。
• 首次在三维构型中提取了A_UT^{sin(ϕ_S)}和A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}，并与理论预测进行比较。
• 未来将与COMPASS首次获得的极化Drell-Yan数据进行对比，以检验TMD PDF的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SIDIS中Sivers和Collins横向自旋不对称性的Q²依赖性如何？是否与TMD演化理论预期一致？
• RQ2 Sivers和Collins效应在不同x、z和pT区间是否均非零？其大小如何随变量变化？
• RQ3 A_UT^{sin(ϕ_S)}不对称性是否非零？能否通过Wandzura-Wilczek近似将其与Sivers和Collins机制关联？
• RQ4 A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}是否为唯一显著的双自旋不对称性？其结果是否与理论预测一致？
• RQ5 SIDIS结果与同一实验即将发布的极化Drell-Yan数据相比如何？能否用于检验TMD PDF的普遍性？

主要发现

• Sivers不对称性在正向强子的整个x范围内均显示出显著信号，尤其在高z区域，Q²依赖性在大x区间呈现下降趋势，暗示可能存在Q²依赖性。
• 对于反向强子，Sivers信号较不清晰，但在低x区域可能呈现负效应，而在大x和高Q²区域则为正，表明其具有复杂的x-和Q²-依赖结构。
• Collins不对称性在正负强子间表现出清晰的镜像行为，其大小随z和pT增加而增强，但未显示出明显的Q²依赖性。
• A_UT^{sin(ϕ_S)}不对称性在正负强子的高z区域均为非零且显著，表明存在非平凡的自旋-轨道关联。
• A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}是唯一统计显著的双自旋不对称性，其数据与[18]中的理论预测具有良好一致性。
• 其余四个不对称性（A_UT^{sin(3ϕ_h−ϕ_S)}、A_UT^{sin(ϕ_h−ϕ_S)}、A_UT^{sin(2ϕ_h−ϕ_S)}、A_UT^{sin(ϕ_h+ϕ_S)}）在统计不确定性范围内与零一致，符合理论预期。